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Las corrientes del océano, las mareas y el oleaje pueden generar energía eléctrica

El mar, una fuente de energía inagotable

Pasqual Bolufer. AECC18/12/2013
El canal de Strangford Narrows, en Irlanda del Norte, posee desde 2008 la primera turbina de marea, una fuente de energía que cuenta con un creciente éxito como demuestran los próximos proyectos que se van a acometer en este ámbito en Raz Blanchard (Francia), en 2016, así como en otros países del mundo como Inglaterra, Australia y Corea.

La revista Sciences et Avenir, de París, en su edición de octubre pasado, dedicó varias páginas al tema de las energías marinas bajo el título ‘Les énergies marines ont le vent en poupe’. Y es verdad, son una fuente inagotable de energía, como lo es el viento. El agua marina también contiene energía libre gracias al Sol.

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Las turbinas SeaGen, de Siemens, instaladas en Irlanda del Norte, en abril 2008. El diámetro del rotor es de 20 m (dos rotores por columna). Pueden girar 180º para generar energía también en bajamar. Los rotores se pueden izar sobre la superficie, para reparación y mantenimiento. Foto: Siemens.

Baste recordar la corriente de Agulhas, en el cabo sur de Sudáfrica, que en el siglo XVIII usaban los portugueses que iban y venían de la India. Allí el agua cálida del Índico se mezcla con la fría del Atlántico Sur, y mueve los barcos de vela.

Ahora, en ciertos litorales privilegiados, la turbina marina, movida por corrientes, puede competir con la energía que suministra el gasoil, no renovable y que genera CO2 a la atmósfera (hasta la fecha en España no hay intentos de aprovechar la marea en la cornisa cantábrica, ya que hace falta que la corriente de marea sobrepase los 3m/seg).

Las corrientes oceánicas

La rotación terrestre, energía centrífuga, unida al obstáculo que suponen las costas de las islas y de los continentes, y el calentamiento solar, producen corrientes marinas, que giran en el sentido horario en el hemisferio norte y a contrarreloj en el hemisferio sur (se supone una profundidad mayor de 100 m).

La intensidad de la corriente oceánica se mide con Sverdrup (Sv), un millón de m3 por segundo. En California se mide la corriente oceánica con 54 estaciones costeras, con emisión-recepción de radar de alta frecuencia (para conocer la intensidad y dirección de la corriente).

El agua experimenta el Efecto Coriolis, porque la Tierra está en rotación: Se suma a la fuerza centrífuga, al actuar sobre la masa de agua en latitudes intermedias, e induce un giro al desviar hacia el este en el hemisferio norte esta masa de agua que gana latitud hacia el polo. La atracción solar y lunar también produce corrientes (en el hemisferio sur Coriolis desvía hacia el oeste).

Las corrientes oceánicas actúan como reguladores térmicos. El agua transporta calor por la superficie y regresa en sentido contrario por el fondo oceánico, frío. La circulación profunda es regulada por diferencias de densidad, que son regidas básicamente por la salinidad y la temperatura. El océano capta luz infrarroja, y debido al alto calor específico del agua es capaz de retener el calor absorbido. La Corriente del Golfo es agua superficial caliente, que desde el Ecuador llega a la Europa Noroccidental, y causa un clima templado, no propio de altas latitudes. Esa agua, al acercarse al polo, se enfría. Además, los vientos producen evaporación, es decir, aumentan la salinidad del agua, y por tanto su densidad.

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Izquierda: Alstom - Diámetro del rotor 18m. La turbina tiene una longitud de 22 m, anclada en el fondo marino. 1 MW. Profundidad máxima 50 m; Centro: Sabella D10 - Diámetro del rotor 10 m, 1 MW. Anclada en el fondo marino. Derecha: EDF e Hydro/DCNS - Sobre el fondo marino un rotor de 16m. 0.5 MW. Profundidad 50m.

La banquisa del polo se ha formado a partir del agua oceánica, es decir, salada, y le ha eliminado la sal. Con ello incrementa la salinidad del agua marina fría. Esa agua densa se hunde en el fondo oceánico polar y desciende hacia el Ecuador por fondo marino. La diferencia de densidades produce la corriente superficial cálida, menos densa, hacia el polo, y la del fondo, más salina, con mayor densidad, desde la zona polar hacia el Trópico. La Corriente del Golfo tiene una intensidad de hasta 2m/seg, interesante como fuente de energía.

Las corrientes marinas pueden recorrer largas distancias, y producen cambios ambientales en muchos países. Por ejemplo, Lima (Perú) tiene un clima frio, no subtropical, debido a la Corriente de Humboldt, fría, que asciende desde el sur chileno.

Las mareas

En las escuelas se enseña a los alumnos qué son las mareas, el agua marina atraída por la Luna y el Sol. Aquí nos limitaremos a la Tabla de Mareas, con tres y cuatro mareas/día, y sus causas, para poder predecirlas. La pleamar y bajamar, con un tiempo aproximado de 6 horas (semiperíodo de marea), completan un ciclo de 24 horas y 50 minutos. Las localizaciones situadas en latitudes elevadas, hacia el polo, sólo ven una pleamar al día (la predictividad de las mareas es excelente para generación de energía eléctrica).

Llamamos ‘Carrera de marea’ a la diferencia de altura entre pleamar y bajamar. Hay un desfase entre el paso de la Luna por el meridiano de ese lugar y la aparición de la pleamar siguiente. Las mareas vivas se producen con la luna nueva y la luna llena, y cuando el Sol, la Tierra y la Luna se encuentran alineados. Las Tablas de Marea hacen la predicción diaria de la altura de la marea con fecha y hora.

El agua de los océanos, situada en el lado opuesto al Sol, siente una fuerza que la empuja hacia el exterior de la órbita, mientras que el agua situada en el lado orientado hacia el Sol, percibe una fuerza que la empuja hacia dicho astro. La consecuencia es que la esfera de agua que recubre a la tierra se alarga ligeramente, y se transforma en un elipsoide de revolución, cuyo eje mayor está dirigido al Sol. Este alargamiento relativo es muy pequeño: del orden de uno entre 10 millones.

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Pelamis, turbina flotante articulada de acero, 140 m, en Portugal y Escocia, 2008. Capta energía del oleaje en sus movimientos ondulatorios. En 2014 Ecole Centrale de Nantes instalará una en Loire-Atlantique, Francia, y un año más tarde 2015 otra turbina en Groix, Bretagne. Al contrario que la energía de marea, el oleaje está presente en todos los mares. Pelamis es una turbina de aire, accionada por las olas.

Como la Tierra gira, un punto situado en el Ecuador ve la altura del mar llegar a un máximo (pleamar) dos veces al día: cada vez que dicho punto pasa por el semieje mayor. De la misma manera, cada vez que el punto pasa por el semieje menor, la altura del mar atraviesa por un mínimo (bajamar). Las mareas son máximas cuando dos pleamares son iguales. Eso solo ocurre cuando el Sol se encuentra en el plano ecuatorial, es decir, durante los equinoccios (las mareas de equinoccio son las mayores del año).Para generar energía con una turbina, una marea es útil cuando la corriente es alta, unos 3 m/seg.

Las mareas lunares son una realidad, la Luna atrae el agua marina. El cálculo de las mareas lunares es similar al cálculo de las mareas solares. La amplitud de las mareas lunares es aproximadamente dos veces mayor que las de las mareas solares: el periodo es de 12 horas, 25 minutos y 10 segundos.

El oleaje

Los movimientos ondulatorios de la superficie del agua también aportan energía para una turbina de oleaje. Se han diseñado muchas turbinas para este fin. La diferencia respecto a las corrientes marinas y las mareas consiste en que el oleaje está extendido por todos los mares, mientras que las corrientes y la marea son efectivas sólo en algunos puntos privilegiados. Su potencial energético mundial se cifra en 8.000 MWh por año.

La ‘máquina-serpiente’ Pelamis tiene cinco años de experiencia a lo largo de las costas de Portugal y Escocia. Es el proyecto más antiguo: un tubo de acero articulado, de 140 m de longitud, flotante, en donde una turbina de aire es accionada por el oleaje.

En la isla La Réunion se experimentará con Pelamis y Ceto. Esta nueva máquina consiste en una serie de flotadores, que movidos verticalmente por el oleaje, actúan sobre un pistón vertical, y convierte el movimiento en energía eléctrica.

Otra máquina es Waveroller, del grupo DCNS, que consiste en paneles articulados, colocados bajo el agua, sobre la arena, que comprimen el agua, y la envían a tierra, para alimentar la turbina. En 2015 se instalarán estos paneles en la isla de Groix, Bretaña, Francia.

La turbina hidráulica de marea

Tenemos una larga tradición, desde el viejo molino de agua, para diseñar turbinas que capten la energía del agua. En la marea el flujo no es constante, hay un tiempo entre una pleamar y la siguiente. La turbina de agua estará adaptada al ciclo de marea. La velocidad de la corriente es variable entre 1 y 3 m/segundo. El agua producirá un movimiento de rotación de los álabes del rotor de eje horizontal y a continuación, el mismo eje accionará el generador de energía eléctrica.

Normalmente el agua sufre un cambio de presión, y ésta sufre una disminución a su paso por el rodete. Los álabes pueden ser de paso fijo o variable. La turbina Kaplan y la Francis varían el ángulo de las palas.

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Observación con radar de las corrientes marinas en California. A la izquierda, el emisor dirige los pulsos a la superficie del océano, el agua los dispersa, altera la longitud de onda, y reenvia al receptor de radar, también a la izquierda. La diferencia en la longitud de onda nos da información sobre la corriente marina, su intensidad y su dirección.

Las turbinas AR-1000, de Atlantis Resources Corp., de 1MW, están diseñadas para velocidades de 2.65 m/seg. La primera turbina de marea de EE UU, Verdant Power, en la costa de East River, junto a New York, entró en funcionamiento en abril de 2007, pero se rompieron las palas. La turbina de 2008 tiene álabes reforzados. En abril de 2008 Siemens instaló la turbina SeaGen (1.2MW), con dos rotores, con un generador en cada uno, en Strangford Lough, en Irlanda del Norte, Inglaterra. Los álabes varían 180º, de modo que se genera energía en las dos direcciones de la marea, pleamar y bajamar.

También en Strangford Lough funciona experimentalmente la turbina semisumergida Evopod, desde junio 2008. Su tamaño es 1/10 del tamaño original. Fabrica la turbina Ocean Floor Energy Ltd, de Inglaterra. Proyectos en este sentido abundan en diferentes partes del mundo: Tenax Energy of Australia ha diseñado una turbina de 15 m de diámetro, que se apoya en el fondo marino de la ciudad de Darwin, Australia. Cada turbina suministrará energía eléctrica para 400 viviendas.

En Gold Coast, Queenland, en 2002, Tidal Energy instaló una turbina para vender la energía eléctrica en el norte de Australia, con una corriente de marea de intensidad máxima de 11m/seg. Tidal Energy ha instalado dos turbinas, que producen 3,5 MW. En Brisbane, desde octubre 2008, con una corriente de 4 m/seg funciona una turbina de 5 m de diámetro, apta para hasta 800 kW.

Para el río Thames, Inglaterra, Tidalstream diseña la turbina Triton 3, de 3 MW de capacidad, para una profundidad de 30-50 m, que se puede instalar sin necesidad de grúa. Diseña también Triton 6, de 10 MW, para una profundidad de 60-80 m. Ambas turbinas disponen de un ascensor para el mantenimiento, mientras funcionan.

Desde 2009 en Corea del Sur funciona la turbina Gorlov, de 1 MW, de explotación comercial, con diseño helicoidal Darrieus. Debido a los buenos resultados, en 2013 ha sido sustituida por otra turbina Gorlov de 90 MW.

También en Corea, Neptune Renewable Energy ha desarrollado la turbina Proteus, de eje vertical, que se podrá usar en diversos estuarios. La turbina Proteus inspira la construcción de la turbina de eje vertical Musgrove.

En East Port, Maine, EE UU, desde abril de 2008 funciona una turbina TGU, con un generador de imán permanente, que también se podrá instalar en ríos. Hay pruebas en el estrecho de Messina, Italia, desde 2001 con la turbina Kubolt.

Desde noviembre de 2010 funciona en el litoral de Pembrokshire, Gales, un grupo de turbinas sobre el fondo marino de la península St.David, de Lunar Energy, Inglaterra, que suministran energía a 5.000 viviendas. Son 8 turbinas de 25 x 15 m.

En British Columbia, en el rio Campbell, Tidal Energy instaló en 2009 tres turbinas de 1,2 MW. Y en la bahía Fundy, Nova Scotia, Canadá, Nova Scotia Power ha instalado la turbina OpenHydro.

Igual que en las plantas eólicas, la selección del lugar es de vital importancia. Las corrientes de marea se encuentran en zonas donde el agua está concentrada entre obstáculos, a la entrada de bahías y de ríos, o entre islas. Los avances en el diseño de turbinas permitirán aumentar la energía obtenida de las olas.

Referencias

Adlams, N. Tidal Power Project could run all homes. Northern Territory News, 06-06-2010.

Galbraith, K. Power from the restless sea stirs the imagination. New York Times, 09-10- 2008.

Garrett, C. The power potential of tidal currents in channels. Proceedings of the Royal Society. 2005.

Knauss, J. Introduction to a Physical Oceanography. Prentice Hall,1996.

Rahmstorf, G. Thermohaline Ocean Circulation. Elsevier Science, 2006.

Shulman, R. N.Y.tests turbines to produce power. The Washington Post 9-20-2008.

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